[发明专利]基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统及相位解调方法有效

专利信息
申请号: 201910981272.7 申请日: 2019-10-16
公开(公告)号: CN110617874B 公开(公告)日: 2021-11-23
发明(设计)人: 崔珂;张磊;朱日宏;任仲杰;钱婕妤;施佳彬 申请(专利权)人: 南京理工大学
主分类号: G01H9/00 分类号: G01H9/00
代理公司: 南京理工大学专利中心 32203 代理人: 薛云燕
地址: 210094 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 基于 脉冲 相干 otdr 系统 相位 解调 方法
【权利要求书】:

1.一种基于双脉冲移相干涉的Φ-OTDR系统的相位解调方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1、激光光源(1)发出的激光,顺次发送至光开关(2)和相位调制器(3);FPGA(9)给予光开关(2)一个连续双脉冲信号,同时给予相位调制器(3)一个具有π/2调制深度的连续相位脉冲调制信号,形成经相位调制的激光脉冲,具体如下:

由FPGA(1)产生脉冲信号作用于光开关(2)产生光脉冲,一个周期内双脉冲宽度均为τ1,双脉冲的周期为T1;由FPGA(9)产生脉冲信号作用于相位调制器(3)产生相位脉冲调制,一个周期内相位调制脉冲宽度为τ2,周期为T2,相位为π/2;为了让连续双脉冲内加上相应的相位调制,需满足T1=T2,且τ1<τ2

由光开关(2)输出的连续双脉冲信号如下:

式中:C为常数,k为整数,T是单个双脉冲的周期,t为时间,τ是双脉冲的时间间隔,τ1是双脉冲间的间隔宽度,Φ为各种相位调制的集合;

由于相位调制器(3)依次对双脉冲调制,第一个双脉冲不加调制,第二个双脉冲给第二个脉冲进行π/2调制,第三个双脉冲给第一个脉冲进行π/2调制,故一个完整的相位调制周期对应于三对连续的双光脉冲,相位调制信号位置如下:

式中:τ是双脉冲的时间间隔,τ1是双脉冲间的间隔宽度,τ2为相位调制脉冲宽度,表示zm处脉冲的相位调制,t为时间,π/2是相位调制深度;根据式得到最终对应的连续三个周期的干涉光强相位调制量分别为0、

步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入掺铒光纤放大器(4)进行信号放大,再通过光环形器(5)进入传感光纤(6),在传感光线(6)内发生背向瑞利散射光间的干涉叠加得到干涉光信号,具体如下:

激光脉冲在传感光纤(6)中发生背向瑞利散射光脉冲相干涉,双脉冲间的延时为τ,且满足其中n为光纤介质折射率,L为双脉冲之间的间隔,c为光在真空中传播速度;

将传感光纤(6)盘绕一段固定放置于声源振动器件(8)上,信号发生器(7)发送给声源振动器件(8)一个正弦调制信号,使得声源振动器件(8)产生特定频率和幅度的振动,声源振动器件(8)所产生振动信号的振动周期远大于FPGA(9)给予相位调制器(3)的调制周期T,即时间t在一个调制周期T内,振动信号在时域内保持恒定,才能够根据时间的不同来标定位置,从而在光电探测器(10)端口获取三路光信号;

声源振动器件(8)产生的振动引起传感光纤(6)内干涉光信号的相位发生变化;携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器(5)的2号口,并由3号口输出到光电探测器(10),具体如下:

携带振动信号的干涉光信号返回至光环形器(5)的2号口,并由3号口输出到光电探测器(10),光电探测器(10)探测到的干涉光强信号I(t)表示为:

式中:A、B均为常数,t为时间,是光脉冲的初始相位,分别代表双脉冲的初始相位;是振动引起的相变,Φm表示由位于zm处的脉冲作用的振动引起的总相变,表示由位于zm处的另一个脉冲作用的振动引起的总相变;是双脉冲间延时形成的调制相位,表示zm处脉冲的相位调制,表示zm处另一个脉冲的相位调制;τ是双脉冲的时间间隔,τ1是双脉冲的脉冲宽度;

令合相位则干涉光强表达式简化为:

式中,A、B均为常数,t为时间,是双脉冲间延时形成的调制相位,表示zm处脉冲的相位调制,表示zm处另一个脉冲的相位调制;

步骤3、光电探测器(10)将携带有振动信号的干涉光信号转换为电信号,瞬态光电信号处理器(11)对该电信号进行数据采集,并将所采集的数据发送至计算机(12),解调得到合相位θ,再通过三步移相算法去除θ的初始直流相和环境漂移相,解调出传感光纤(6)振动位置由声源振动器件(8)产生的正弦振动相位信号Φ(t),具体如下:

传感光纤中背向瑞利散射光间干涉叠加后,通过光电转换,连续输出对应于三个不同相位调制的光脉冲信号,经标定三组双脉冲不同位置的相位调制信号,找到振动点位置,从而获取传感光纤(6)的三路移相信号的光强信号I1,I2,I3

根据得到I1,I2,I3,表达式为:

根据三步移相算法,解得:

式中:A、B均为常数,t为时间,τ是双脉冲的时间间隔,τ1是双脉冲的脉冲宽度,π/2是相位调制深度;表示zm处下脉冲的相位调制,表示zm处另一个脉冲的相位调制,是双脉冲间延时形成的调制相位,θ为和相位,是光脉冲的初始相位,Φ(t)是振动引起的相变。

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